На сегодняшний день по оценкам ООН около 26% населения планеты не имеют непосредственного доступа к безопасной питьевой воде. Единственное реальное решение этой проблемы — очистка воды. Современные технологии позволяют очищать практически любую воду с любым составом загрязнителей до питьевого уровня качества. Усложняет эту задачу только стоимость и ограниченный объем производимой воды.

Природа загрязняющих примесей.

Качество воды определяется присутствующими примесями. Природу примесей и соответствующие технологии очистки можно лучше всего понять, изучив строение молекулы воды. Молекула воды полярна — она имеет два противоположных заряда, плюс и минус, как полюса у магнита.

 Каждый полюс притягивается к своему противоположному заряду. Положительный полюс притягивается к отрицательным зарядам, а отрицательный полюс – к положительным. Эта особенность сделала воду фундаментальным компонентом всей жизни на Земле и ключевым объектом поиска жизни за ее пределами. Эта же особенность придала воде свойства универсального растворителя и предопределила то, что абсолютно чистая вода в природе не существует – все источники воды содержат примеси, как видимые, так и невидимые.

Приемлемость воды для предполагаемого применения определяется допустимостью присутствия тех или иных загрязняющих примесей.  Качество воды, пригодной для орошения, может оказаться недостаточным для питьевой воды, а  качество питьевой воды может оказаться неприемлемым для производства фармацевтических препаратов или использования в медицине.

Но вернемся к загрязняющим примесям – неорганическим и органическим веществам во взвешенном или растворенном состоянии.

Взвешенные частици.

 По причине полярности молекулы воды притягиваются друг к другу и создают жидкую среду, способную удерживать мелкие частицы во взвешенном состоянии (ил, глина, окисленное железо, танины, микропластики).

Важной характеристикой взвешенных твердых частиц является то, что их можно удалить из воды физическим разделением или фильтрацией путем пропускания исходной воды через селективный барьер. Поскольку размер большинства взвешенных частиц очень мал мы не можем использовать миллиметровую шкалу для их измерения. Используемая шкала — микрометры. Чтобы оценить размер микрометра, предположим, что простая точка на странице имеет диаметр 615 микрометров. Использование микрометровой шкалы позволяет нам определить относительный размер взвешенных твердых частиц. Если размер взвешенных частиц в воде превышает 40 микрометров мы способны их видеть невооруженным глазом.

Взвешенные частици придают воде цветность и мутность. Проблема мутности и цветности носит больше естетический характер. Однако, взвешенные частицы в воде служат средством переноса и маскировки микроорганизмов и эта комбинированная угроза уже значительно серьезнее, чем простое присутствие в воде взвешенных частиц.

Фильтрация – самая древняя из известных технологий очистки воды. Фильтрация базируется на улавливании частиц при движении воды через сито с отверстиями, достаточно мелкими, чтобы задерживать взвешенные частици, и достаточно большими, чтобы не блокировать поток отфильтрованной воды. Исходная вода «продавливается» через такое сито под действием гравитации или давлением, создаваемым насосом.  Накопление взвешенных частиц повышает сопротивление потоку поэтому фильтрующие поверхности периодически очищаются или заменяются.

Уровни фильтрации соотносятся с рейтингом улавливания взвешенных частиц и разделены на 5 групп:

1. Макрофильтрация (взвешенные частици с рейтингом более 1 мкм).
2. Микрофильтрация (взвешенные частици с рейтингом 0,1- 1 мкм).
3. Ультрафильтрация (взвешенные частици с рейтингом 0,1 -0,01 мкм).
4. Нанофильтрация (взвешенные частици с рейтингом 0,01- 0,001 мкм).
5. Гиперфильтрация (технология больше известная под названием «обратный осмос», взвешенные частици с рейтингом менее 0,001 мкм).

Микроорганизмы.

 Большинство взвешенных частиц — неорганические примеси. Однако, существует еще одна категория взвешенных частиц, которая при оценке качества воды рассматривается отдельно – микроорганизмы (вирусы, бактерии, простейшие). Угроза для здоровья со стороны патогенных микроорганизмов достаточно изучена. Однако, даже непатогенные микроорганизмы представляют проблему, образуя слизь и биопленки в трубопроводах, гидроакумуляторах, водонагревателях и бытовой технике.  Пример такой проблемы – железобактерии.

Проблема микроорганизмов устраняется применением технологий окисления (разрушения микробной мембраны путем введения в поток воды окислителей (хлор, перекись водорода, озон, диоксид хлора)), механической фильтрацией (ультрафильтрация) или дезактивацией ультрафиолетом (стерильные микроорганизмы не способны формировать биопленки и образовывать колонии внутри организма человека).

Сочетание интенсивности и времени действия, называемое «временем контакта», важно для большинства технологий дезактивации микроорганизмов. Для систем окисления — это расчетная доза окислителя и время задержки, для  систем ультрафиолетового облужения – это расчетная доза излучения и скорость потока через камеру.

Ультрафиолет  с длиной волны около 254 нм с достаточной интенсивностью и в течении достаточного времени воздействия наносит повреждение структуре ДНК, лишая микроорганизмы возможности размножаться. Реальная природа опасности патогенных микроорганизмов для человека исходит не от одной или нескольких свободных бактерий или вирусных частиц в потоке воды, а от колоний, которые формируют вирусы и бактерии, попав в организм с питьевой водой. Эти колонии проникают в клетки или органы, нарушая их нормальную деятельность. Важно отметить, что дезактивированные ультрафиолетом микроорганизмы остаются в потоке воды, сохраняют жизнеспособность, но не способны размножаться в организме человека.

Растворенные неорганические примеси. Солесодержание.

В отличие от взвешенных веществ, растворенные примеси имеют положительный или отрицательный заряд и называются ионами. Положительные ионы называются катионами, а отрицательные – анионами. Ионы образуются в воде при растворении солей. Всем известный пример таких солей – хлорид натрия (поваренная соль). Хлорид натрия в твердом состоянии представляет собой кристаллы. Однако в воде кристаллы растворяются, образуя катионы натрия и анионы хлорида. В отличии от взвешенных частиц растворенные ионы взаимодействуют с водой, создавая гидратную оболочку из поляризованных молекул воды.  Удаление растворенных частиц простой механической макро- или микро- фильтрацией невозможно – применяются другие технологии. Наиболее распространенные технологии удаления из воды растворенных частиц – ионный обмен, окисление и фильтрация, обратный осмос.

Водоподготовка. Обратный осмос.

Когда два любых объёма воды с разной концентрацией растворённых веществ разделены мембраной с очень малым размером пор (около 0,001 мкм), молекулы воды перемещаются через мембрану со стороны с меньшей концентрацией растворённых веществ на сторону с большей концентрацией. Фактически через мембрану проходят только молекулы воды, растворённые вещества остаются в растворе. Этот процесс называется «осмосом» и лежит в основе всей известной нам жизни. Естественная сила миграции молекул воды заставляет воду перетекать из области с меньшей концентрацией солей в область с большей концентрацией. Возникающее при этом давление называется «осмотическим». Чем больше разница в концентрации растворённых веществ, тем выше осмотическое давление. Человечество извлекло выгоду из этого природного процесса, создав искусственные полупроницаемые мембраны с размером пор 0,001 микрометра и добавив насос, который создаёт давление, превышающее осмотическое давление исходной воды. Как только это давление превышает естественное осмотическое давление, молекулы воды начинают перемещаться обратно в сторону с более низкой концентрацией растворённых веществ. Эта технология, снижающая концентрацию растворённых веществ, получила название «обратного осмоса».

Небольшие бытовые системы обратного осмоса могут использовать давление, создаваемое скважинным насосом или давление в муниципальной водопроводной системе. Более крупные и более эффективные коммерческие и промышленные системы обратного осмоса используют дополнительные высоконапорные насосы для создания большого перепада давления  (для морской воды 10-15 бар).

Растворенные органические вещества.

Многие из органических веществ обладают слабой полярностью, взаимодействуют с полярной молекулой воды и растворяются в воде. Такие вещества называются «гидрофильными» («любящими воду»), например, спирт, уксусная кислота или сахар. Органические вещества, обладающие сильной полярностью, склонны собираться вместе — агломерироваться в воде. Такие вещества называются «гидрофобными» («боящимися воды»), например, бензин или растительное масло. В водоподготовке каждое из таких «гидрофобных» веществ рассматривается отдельно, обладает уникальными характеристиками и требует применения особых стратегий водоподготовки. Проблемы, которые создают в воде органические вещества, варьируются от неприятного запаха до смертельно опасных эффектов. Развитие производственных технологий стало причиной появления в экосистеме очень широкого спектра крайне опасных органических веществ, например, таких как перфтороктановая кислота («перфтороктановая катастрофа» – мы все уже живем с этим ядом в крови, который накапливается и вызывает множество заболеваний).

Сброс промышленной химии и органических отходов в сельском хозяйстве и животноводстве аккумулируют проблему органических загрязнений. В последние десятилетия список органических загрязнений в воде пополнили рецептурные медицинские препараты. Наиболее распространенные технологии удаления из воды органических веществ – адсорбция, ионный обмен и ультрафильтрация.

Водоподготовка. Органические вещества.

Для удаления органических загрязнений наиболее широко используется адсорбция активированным углем. Гранулированный уголь применяется в корпусах фильтров, порошковый уголь — в картриджах. Высокая пористость активированного угля делает его эффективным средством для удаления из воды большинства органических загрязнений, включая многие рецептурные медицинские препараты и полифторалкильные вещества. Эффективность удаления ограничена временем контакта угля с водой (расход воды на единицу объема).

Взгляд в будущее.

 Доступность воды с приемлемым для питья уровнем загрязнения будет по-прежнему оставаться проблемой во всем мире. По всей вероятности, в условиях стихийных бедствий и возростающей активности человека ситуация будет только ухудшаться. Решение этой проблемы заключается в ограничении деятельности человека, способствующей загрязнению, а также в разработке и применении технологий очистки воды. Технология обратного осмоса наиболее актуальна для решения проблем в будущем с питьевой водой посредством опреснения. Примерно 97% воды на Земле находится в океанах, а 40% населения планеты живет в радиусе 160 км от океана. Обратный осмос может превратить морскую воду в питьевую. Для этого нам нужна энергия, необходимая для активации насосов высокого давления, а инновации в мембранных технологиях продолжают снижать количество необходимой энергии. Судя по всему именно технология обратного осмоса позволит создать возобновляемые источники питьевой воды в будущем.